光學(xué)頻率梳在頻域?yàn)榫哂械阮l率間隔的頻率成分,在時(shí)域?yàn)榫哂泄潭ㄖ貜?fù)頻率的脈沖光,其在物理參數(shù)精密測(cè)量、光鐘、相干光通信、微波和光學(xué)任意波產(chǎn)生、光譜學(xué)、天文光譜儀校準(zhǔn)及測(cè)距等方面都有著重要的應(yīng)用。目前,實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率梳的方法主要包括基于鎖模激光器產(chǎn)生頻率梳,基于電光調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生頻率梳,基于行波四波混頻產(chǎn)生頻率梳和基于光學(xué)微腔產(chǎn)生頻率梳。最近,通過精細(xì)調(diào)控注入光學(xué)微諧振腔中的泵浦激光頻率,獲得了時(shí)域腔孤子,這不僅提供了一種在頻域上產(chǎn)生具有光滑光譜包絡(luò)的低噪聲光學(xué)頻率梳狀光譜的方法,而且還在時(shí)域上產(chǎn)生了重復(fù)頻率為GHz量級(jí)的光學(xué)超短脈沖。微腔孤子頻率梳在孤子微梳測(cè)距、自參考芯片尺度孤子頻率梳和集成光子學(xué)光頻合成器等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。然而上述時(shí)域腔孤子的產(chǎn)生條件較為苛刻、穩(wěn)定性較差且梳齒間隔難以實(shí)現(xiàn)大范圍可調(diào)諧,而這在光通信、光學(xué)傳感、光譜學(xué)、可調(diào)諧微波和太赫茲波產(chǎn)生等許多應(yīng)用中是必需的。針對(duì)上述問題,本文圍繞重復(fù)頻率大范圍可調(diào)諧的時(shí)域腔孤子和孤子頻率梳產(chǎn)生,以及寬帶、平坦頻率梳的產(chǎn)生開展了系統(tǒng)的研究,并取得了以下研究結(jié)果:（1）提出了利用腔內(nèi)布里淵激光作為泵浦光產(chǎn)生時(shí)域腔孤子和孤子頻率... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：115 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

光學(xué)頻率梳的部分應(yīng)用[6]

第1章引言3光鐘：原子時(shí)鐘的“滴答”來自于原子的躍遷頻率，在微波波段。2019年國際單位制改版之后，科學(xué)家更新了“秒”的定義：133Cs原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率的9192631770倍定義為Hz，即s-1。雖然133Cs微波時(shí)鐘的頻率/時(shí)間精度達(dá)到了十六位數(shù)字，然而人們正在探索基于原子中光學(xué)躍遷的新型時(shí)鐘，希望實(shí)現(xiàn)其對(duì)微波時(shí)鐘的替代。由于光學(xué)原子鐘的振蕩速度比微波頻率要快得多，高5個(gè)數(shù)量級(jí)，可以將時(shí)間劃分為更小的單位，實(shí)現(xiàn)更精確地計(jì)時(shí)。然而，對(duì)光信號(hào)的測(cè)量卻面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)楣忸l率的振蕩速度是最先進(jìn)的數(shù)字電子學(xué)可實(shí)現(xiàn)速率的10萬倍。直到2000年，頻率梳的實(shí)現(xiàn)使單個(gè)鎖模激光器（mode-lockedlaser，MLL）通過對(duì)光學(xué)頻率的精密控制和光學(xué)頻率與微波頻率的高精度轉(zhuǎn)換，提供了超高精度的時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)[16-18]。這種對(duì)未知光學(xué)時(shí)鐘躍遷頻率的快速表征標(biāo)志著測(cè)量能力的增強(qiáng)。絕對(duì)光學(xué)頻率的測(cè)量自然受到測(cè)量它們的低穩(wěn)定性微波參考不確定度（10-16）的限制。這種穩(wěn)定性限制導(dǎo)致最多需要一個(gè)月的平均周期才能達(dá)到接近微波參考源的最大精度。頻率梳的光學(xué)合成通過光鐘比對(duì)測(cè)量，可以在非常短的周期內(nèi)（幾秒鐘）達(dá)到10-16的相對(duì)不確定度[19]。寬帶寬頻率梳還可以相應(yīng)的測(cè)量不同種類的光學(xué)原子鐘[10,20]，使頻率比對(duì)低于133Cs常用標(biāo)準(zhǔn)的限制達(dá)到10-18量級(jí)[21,22]。頻率比對(duì)是迄今為止最高的精確物理測(cè)量，其裝置如圖1.3所示。由于原子躍遷頻率及其動(dòng)力學(xué)受物理定律和普遍基本常數(shù)的控制，原子鐘比對(duì)使基礎(chǔ)物理的精細(xì)測(cè)試成為可能[23]，在推動(dòng)科學(xué)前沿方面發(fā)揮著重要作用[22,24-28]。圖1.3Yb/Sr原子鐘比對(duì)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置[19]。

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文4相干光通信：自20世紀(jì)90年代以來，波分復(fù)用（wavelengthdivisionmultiplexing，WDM）已被用于數(shù)百公里甚至數(shù)千公里的長途光纖鏈路[29]。如今，隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)木薮笮枨�，需要光纖中數(shù)據(jù)流光譜的并行化來維持?jǐn)?shù)據(jù)速率的進(jìn)一步增加。在這種情況下，光學(xué)頻率梳發(fā)生器作為緊湊型多波長光源，可以提供大規(guī)模并行WDM數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓廨d波，在高容量長程光通信的核心研究領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用[2,6,30,31]。頻率梳的一個(gè)特別重要的優(yōu)點(diǎn)是梳齒頻率間隔是等距的，從而放寬了信道間保護(hù)頻帶的要求，并避免了在傳統(tǒng)方案中結(jié)合獨(dú)立分布反饋（distributedfeedback，DFB）激光器陣列所需的對(duì)單獨(dú)線路的頻率控制。這些優(yōu)點(diǎn)不僅適用于波分復(fù)用發(fā)射機(jī)，也適用于接收機(jī)，其中離散型本地振蕩器陣列（localoscillator，LO）可由單個(gè)頻率梳發(fā)生器代替[11,32]。使用LO梳進(jìn)一步促進(jìn)WDM信道的聯(lián)合數(shù)字信號(hào)處理，這可以降低接收機(jī)復(fù)雜度并增加相位噪聲容限[33,34]。使用具有相位鎖定頻率的LO梳的并行相干接收器甚至可以重構(gòu)波分復(fù)用信號(hào)的時(shí)域波形，從而補(bǔ)償由傳輸光纖的光學(xué)非線性引起的損傷[35]。此外，緊湊型器件和具有效益的批量生產(chǎn)是未來WDM收發(fā)器的關(guān)鍵。在所有梳狀發(fā)生器中，芯片尺度的器件特別令人感興趣[36,37]，在如圖1.4所示的裝置中已經(jīng)被證明能夠傳輸高達(dá)50.2Tbit/s的WDM數(shù)據(jù)流[36]。圖1.4微腔孤子頻率梳發(fā)生器用于大規(guī)模并行波分復(fù)用光源的數(shù)據(jù)傳輸[11]。


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